Linux——进程控制

Linux------进程控制

• fork()
• • 缺页中断
• 进程终止
• 进程异常
• exit
• _exit
• 进程等待
• • wait
  • waitpid
  • • status
    • WIFEXITED
• 多进程等待
• 阻塞等待和非阻塞等待
• 进程替换
• • 单进程的进程替换
  • • execl
    • execlp
    • execv
    • execle

fork()

我们之前是接触过这个函数的，这个函数我们之前是要来创建子进程的函数，我们今天来深入学习一下这个函数：

在linux中fork函数时非常重要的函数，它从已存在进程中创建一个新进程。新进程为子进程，而原进程为父进程。

#include <unistd.h>
pid_t fork(void);
//返回值：自进程中返回0，父进程返回子进程id，出错返回-1

返回值：子进程中返回0，父进程返回子进程id，出错返回-1。

那么fork做了哪些事情呢？

1. 创建子进程： 调用 fork() 函数时，操作系统会创建一个几乎与父进程完全相同的子进程。这意味着子进程继承了父进程的内存、文件描述符、环境变量等。
2. 返回值： fork() 函数在父进程中返回子进程的进程ID（PID），而在子进程中返回0。这是为了让父进程和子进程能够区分彼此。通常，父进程可以通过检查返回值来确定它是父进程还是子进程。
3. 复制父进程： 子进程是通过复制父进程的地址空间来创建的，这包括父进程的代码、数据和堆栈。子进程独立于父进程运行，但它们之间的数据不会共享，除非使用进程间通信（Inter-Process Communication，IPC）机制。
4. 并行执行： 一旦子进程创建成功，父进程和子进程可以并行执行，各自独立运行。

我们可以写段代码来验证一下：

我们可以看到第一个29374是父进程的pid，返回值29375是子进程的id，而下面的29375是子进程，返回值是0。

这个过程是怎样的呢？

在调用 fork() 函数后，父进程会继续执行其后的代码。fork() 函数创建了一个新的子进程，该子进程是在调用 fork() 时父进程的几乎完全复制。父进程和子进程将几乎同时开始执行下面的代码。

缺页中断

我们之前讲过进程地址空间，我们说父进程和子进程都是一个相同的虚拟地址，然后映射到不同的物理内存中。

但在子进程修改自己的值之前，父进程和子进程都是映射到相同的物理内存上，那就有一个问题：操作系统怎样知道在哪个时间完成对子进程的修改呢？

其实父子进程任意一方想修改的时候，这个时候会发生写时拷贝，同时父子进程的权限都会改为只读。

这个时候我们修改，就会报错，但是操作系统过来看看，发现原本是读写 的权限，被改为了只读 ，就会判定这个不是错误，会在物理内存中重新找一块空间重新建立映射关系到父或子进程。但这个过程我们是不知道的。

我们称这样的机制为缺页中断：

缺页中断（Page Fault）是计算机操作系统中的一个重要概念，它发生在程序试图访问虚拟内存中的一个页面（或页）时，但该页面当前不在物理内存中。当发生缺页中断时，操作系统会介入处理，以便将需要的页面加载到物理内存中，从而使程序能够继续执行。

下面是关于缺页中断的一些重要信息：

1. 虚拟内存和分页系统： 大多数现代操作系统使用虚拟内存和分页系统来管理内存。这意味着每个进程看到的内存都是虚拟内存，而不是物理内存。虚拟内存被划分成固定大小的页面（通常为4KB），这些页面被映射到物理内存。
2. 页面不在物理内存中： 当程序尝试访问一个在虚拟内存中但不在物理内存中的页面时，会触发缺页中断。这可能是因为该页面从物理内存中换出（置换）以腾出空间给其他页面，或者是因为该页面是程序首次访问的部分。
3. 操作系统响应： 当发生缺页中断时，操作系统会介入，根据程序访问的虚拟地址，找到相应的页面，并将其加载到物理内存中的合适位置。这通常涉及从磁盘上的页面文件或其他存储设备中读取数据。一旦页面被加载到物理内存中，程序可以继续执行，就好像该页面一直在内存中一样。
4. 页表： 缺页中断的处理依赖于页表，页表是操作系统维护的数据结构，它将虚拟地址映射到物理地址。操作系统使用页表来确定缺页中断的地址映射关系，以便正确地加载页面。
   性能影响： 缺页中断是计算机性能的重要因素之一。频繁的缺页中断会导致程序执行速度减慢，因为加载页面需要时间。因此，操作系统会尽量减少缺页中断的发生，通过使用高效的页面置换算法和合理的内存管理策略来优化性能。

那么什么时候会发生缺页中断呢？

1. 首次访问页面： 当程序首次访问虚拟内存中的一个页面时，该页面通常不在物理内存中，因此会触发缺页中断。这是因为操作系统采用了一种"延迟加载"策略，只有在页面被首次访问时才将其加载到物理内存，从而节省内存空间。
2. 页面被置换出： 如果操作系统需要腾出物理内存空间以容纳其他页面，它会选择一些不常用的页面进行置换（将其移出物理内存）。当程序再次访问这些页面时，会触发缺页中断，因为它们不再在物理内存中。
3. 页面被交换到磁盘或其他存储设备： 某些操作系统具有交换（Swap）机制，这允许将页面从物理内存交换到磁盘或其他存储设备以释放内存。当程序尝试访问已经交换到磁盘上的页面时，会触发缺页中断，因为它们不在物理内存中。
4. 多任务操作系统切换进程： 在多任务操作系统中，当操作系统决定切换执行另一个进程时，当前进程的页面可能会被置换出物理内存。当再次切换回该进程时，会触发缺页中断，因为所需的页面不再在内存中。
5. 共享内存： 如果多个进程共享某些内存区域，而其中一个进程对共享内存进行了修改，而其他进程需要访问这个修改后的数据，可能会触发缺页中断。这是因为修改后的数据需要被加载到其他进程的物理内存中。

我们的父子进程属于第5种情况。

进程终止

我们之前写程序的时候，总会在最后一行写：

其实我们都大概可以猜得到，这个0可能代表了状态，我们的父进程bash会接收这个返回值，我们可以用**$?**来查看这个返回值：

其实我们返回值，通常是想知道这个程序到底运行的怎么样。我们一般有三种状态：

1. 运行完毕，结果正确。
2. 运行完毕，结果不正确。
3. 运行异常。

我们先来看前两种情况，我们一般来说，返回值为0 表示运行完毕结果正确，非0值表示运行完毕，结果不正确。

其中，不同的值对应不同的状态，我们可以用strerror 来查看不同数字所对应的不同的退出状态。

果然和我们猜的一样，0代表成功。其他数字都代表了不同的错误状态。

我们把这些代表不同状态的数字叫做退出码。

其中 ** ？**这个字符会保存上一个操作的退出码：

但是这个可能不准，所以不能太依赖这个。

有时候，程序运行并不一定会成功，这个时候我们可以把程序在执行过程中返回的数字储存起来，到最后我们可以打印出来看：

这个用来储存的东西叫做errno

进程异常

我们之前讨论过，程序的三种状态跑完 正确，跑完 程序不正确，程序异常 ，这里我们来看看程序异常：

程序异常，跟前面两种情况都不是很一样，前面两种情况，起码还有一个返回值（成功为0，不成功为非0），但是如果程序异常，直接结束，下面的代码直接不执行。

我们来模拟一下最常见的异常：

我们发现我们之前写的printf那一句话，没有机会执行，因为a /= 0的异常，程序直接终止掉了。

这里程序终止的原因是因为，这个进程在出现异常时，会向操作系统发出异常的信号，让操作系统直接杀掉这个进程。

我们看一下，会有哪些信号会让操作系统杀掉进程：
这些信号发给操作系统，操作系统就会杀掉这个进程。前面的数字代表了相应的异常，我们可以向操作系统发出相应的异常信号，帮我们杀掉某些进程：

我们模拟一个正确的场景：

我们向操作系统发送了25127有11号异常，操作系统会以这个11号异常的名义杀掉25127这个进程。

最后退出码和信号就是两个数字，通过这两个数字我们可以推断这个程序的状态。

exit

我们之前讨论过退出码这个概念，那么如果在不同的部分退出，会有什么不同的现象呢？
现在我们函数中有一个退出码，主函数中有一个退出码，我们看最后程序是哪个退出码？

我们看到最后程序是以主函数的退出码退出的，那表明了一件事就是：函数中的退出码只是表示函数调用的结束，并不能代表最后程序的状态。

我们之前也接触过** exit() **这个函数，我们来看看这个函数是不是和return n的效果是一样的：

我们发现退出码变成了0，其实我们可以查一下exit的手册：

手册上面提到，exit可以引起一个正常进程的结束，我们exit中的这个参数就是我们程序返回的退出码，程序遇到exit直接结束而且以exit中的这个参数作为退出码的。

_exit

其实我们除了exit，还有一个函数跟它长得很像，_exit() ，我们可以查一下它的手册：

这个_exit也是可以立即结束一个进程，我们来试试：
那么这个函数和exit有什么区别呢？我们来看看：
注意一下我们这里的printf是带有行刷新的，这个对于观察之后的现象有比较关键的作用。

现象很正常，我们现在把换行符去掉：
这时候一开始是什么也没有的：

三秒钟过后：

我们发现I am a process被刷出来了，说明exit是会强制刷新缓冲区的。

那我们来看看_exit：
也符合我们的预期，我们现在来试试将换行符去掉：
一开始也是什么也没有：
三秒钟过后：
我们发现了，_exit不会强制刷新缓冲区。

其实exit是由_exit封装的，两者的区别一个是库函数，一个是系统函数之所以exit会刷新缓冲区，是因为缓冲区就在这个库里面，exit可以直接对这个库进行操作。

进程等待

进程等待呢，在我的理解下，就是进程等待相应资源的过程。

那么为什么要进行进程等待呢？以我们现有的知识水平来看，有那么以下几点：

1. 解决相应的僵尸进程的内存泄漏问题。
2. 可以收集对应的子进程完成任务的状态。

了解到上面两点之后，我们再来看看进程等待的函数wait和waitpid。

wait

我们先来看看wait的手册：
返回值：

我们发现wait要传一个int*的指针参数，我们暂时先不管，先传NULL值使用一下：

我们来写一段测试代码：

这里子进程结束了之后，父进程会休眠5秒，这个时候子进程就会变成僵尸进程，我们写一段监控脚本来监视一下：
我们看到在某个时刻子进程变成了僵尸进程。因为这时候父进程在睡眠，没有回收子进程。
在五秒结束之后，父进程回收了子进程，这个时候子进程的僵尸状态会被父进程回收。僵尸状态消失。

这里顺便说一下，如果这里我们的父进程不睡眠的话，这时候我们的父进程会阻塞等待。直到回收子进程。

waitpid

了解了wait之后，我们来了解一下waitpid：

waitpid的一个参数是pit_t pid 这个可以表示我们要指定回收哪个进程，比如这个数字是12345，我就要回收12345号进程。

后面两个参数我们暂时先不用管，用NULL和0先顶替着。

我们测试只需改变这一行：

我们来测试一下：

我们看到是和wait一模一样的：

status

我们之前在wait和waitpid中有一个int* status 的指针，这个参数是干嘛的呢？其实这个参数是输出型参数 ，意思是我们先把这个参数输进去，之后它又会返回给我们：
我们可以来试试，这里为了测试，我们将子进程的退出码设为10：

测试一下：

我们看到status的返回值是2560，这跟我们的10差的有点远啊，这是为什么呢？

其实我们的status被输入进去之后，被划分了区域：

我们的次低8位描述的是退出状态，第七位是core dump标志，剩下的位数表示终止信号。

我们的0这个数字有32个比特位，就被分成了这样几个区域：

如果我们想拿到我们的退出状态和终止信号的话我们得对我们的status进行一些位运算来帮助我们拿到真实的数字。

测试一下：
我们看到end state退出状态是10，退出信号是0，跟我们的逻辑是符合的。

我们来试试程序异常会怎么样：

WIFEXITED

如果上面的方法有点过于复杂了，我们定义了一个WIFEXITED的宏帮我们判断退出状态：
如果有异常，返回的值就不为1：

多进程等待

我们进程等待，我们可以多进程等待：

阻塞等待和非阻塞等待

我们waitpid还有最后一个参数没有讲解：options

这里我们的options我们有两种选择：

0：阻塞等待

WNOHANG：以非阻塞方式等待。

啥叫阻塞等待呢，阻塞等待就是操作系统很老实，在等待资源的过程中，它不会去做其他的事情，就乖乖的等待资源。非阻塞就不一样，在等待资源的过程中，抽空去做其他的事情。

我们可以写一段代码来验证：

我们也可以把父进程具体在做什么写的清楚一点：

进程替换

我们之前创建的子进程都是父进程的一部分，现在我们想要让子进程独立于父进程，是一个全新的进程，那该怎么办呢？

单进程的进程替换

在进行进程替换前，我们的了解一下，进程替换的接口：
这些都是进程替换的接口，我们一个一个来试：

execl

我们看到execl是要指定文件路径，加上可变参数列表：

我们发现我们写的程序可以和ls指令有相同的效果，并且我们发现我们最后一行的printf并没有打印出来，这是为什么呢？这个我们暂时先放在一边，我们先来看看多进程的进程替换：

这里程序替换之后，我们的子程序就和原来的程序没有任何的关系了，变成了一个不依赖父进程的独立程序，所以在被替换之后，之后的代码子进程也不会管，所以最后一个printf没有打印，但是，子进程虽然不依赖父进程了。但是依然存在父子关系，所以父进程可以等待成功。

我们可以获取一下execl的退出值：
这个时候我们发现，没有返回值，因为进程都被替换了，不执行后面的代码了。

如果我们输入指令的地址根本就是错的，或者这个指令本来就是错的：
这个时候就有返回值了，并且是-1：

execlp

除了我们的execl这种方法之外，我们还有其他的方法来进行进程替换，比如，我们来看execlp：
这个的名字中带了个p，表示它是在环境变量中去找的 ：

execv

这里的argv是一个指针数组，用于存放我们要执行的命令：

现在我们都替换的是系统的程序，我们可不可以调用我们自己写的程序呢？

我们创建一份C++代码：

修改一下我们的Makefile

execle

我们已经了解了带 l 的，还有带v的，现在我们来看看带e的：
看这个样子的话，应该是把父进程的环境变量导入到子进程中，这个过程中我们会用到putenv 这个函数：

这个函数是方便我们在程序之中添加我们的环境变量：

这个时候我们不调用execle这个函数，我们看看子进程mytest的变化：
我们发现在环境变量表的最后发现了我们添加的环境变量，诶？但是我们还没有向子进程导入我们的环境变量呀？

这里要注意一下子进程本身就会继承父进程的环境变量，不受进程替换的影响 ，其实不需要我们调用什么接口去继承。但是既然提供了，我们还是可以用一下：
顺便可以把命令行参数打印出来：
执行一下：
我么看到子进程继承了父进程的环境变量。

注意我们也可以传我们自己的表，但这会覆盖我们原有的环境变量表，所以如果我们想新增的话，我们的先提前加好才可以。